Avaruuskäyttöön hyväksyttyjen liittimien valitseminen matalan kiertoradan satelliittisovelluksiin

Satelliittiteollisuus kasvaa nopeasti erityisesti matalakiertorataisten (LEO) satelliittien alalla. Matalan kiertoradan ankara ympäristö asettaa kuitenkin merkittäviä haasteita suunnittelijoille. Altistuminen tyhjiölle, atomiselle hapelle, voimakkaalle ultraviolettisäteilylle (UV) ja äärimmäisille lämpötilavaihteluille voi johtaa kaasujen vapautumiseen, materiaalien kulumiseen ja liittimien vikaantumiseen, jotka saattavat vaarantaa tehtävän kannalta kriittisiä järjestelmiä.

Tehtävän onnistumisen varmistamiseksi suunnittelijoiden on ymmärrettävä avaruudessa toimimisen haasteet ja valittava luotettavista lähteistä liittimiä, joissa käytetään matalan kiertoradan olosuhteiden vaatimusten täyttämiseen tarvittavia kehittyneitä materiaaleja ja teknologioita.

Tässä artikkelissa tarkastellaan LEO-sovellusten suunnittelun haasteita ja keskustellaan keinoista rajoittaa ympäristövaikutuksia. Tämän jälkeen artikkelissa esitellään Cinch Connectivity Solutions -yrityksen liittimiä, jotka voivat auttaa vastaamaan näihin haasteisiin.

LEO-ympäristön haasteet ja niiden vaikutukset liittimiin

Matalan kiertoradan satelliittien suunnittelijat kohtaavat uniikkeja ympäristöhaasteita. Vaikka ympäristö ei ole yhtä ankara kuin ulkoavaruus, LEO-satelliiteissa liitinten ja muiden komponenttien on kestettävä kaasujen vapautumista, säteilyä ja korroosiota, äärimmäisiä lämpötiloja sekä tärinää ja iskuja.

1. Kaasujen vapautuminen

Kaasujen vapautuminen kuvaa prosessia, jossa ei-metallisista materiaaleista vapautuu kaasua, kun ne altistuvat kuumuudelle tai tyhjiölle. Tämä on merkittävä tekijä LEO-ympäristössä. Muoveja käytetään yleisesti liittimissä niiden erinomaisten eristysominaisuuksien vuoksi, ja jotkin liittimissä käytetyt metallit voivat sisältää valmistuksen aikana materiaaliin jääneitä mikroskooppisia kaasukuplia. Kun liittimet valmistetaan merenpinnan tasolla, näihin kaasukupliin ei kohdistu materiaalin sisällä ja ulkopuolella olevien paine-erojen aiheuttamia voimia.

Avaruuden tyhjiössä paine-erot kuitenkin kasvavat merkittävästi vapauttaen näitä materiaaliin jääneitä kaasuja. Tämä kaasujen vapautuminen voi johtaa pieniin halkeamiin ja säröihin, jotka vaikuttavat liittimen mekaaniseen lujuuteen (kuva 1).

Kuva 1: Kaasujen vapautuminen aiheuttaa pieniä halkeamia ja säröjä, jotka vaikuttavat liittimen mekaaniseen lujuuteen. (Kuvan lähde: Cinch Connectivity Solutions.)

Kaasujen vapautuminen voi myös vahingoittaa kameroiden kaltaisia antureita muodostamalla pinnoitekerroksen. Se voi jopa johtaa oikosulkuihin liittimien ja komponenttien välillä vaarantaen koko operaation.

Vaikka avaruuden tyhjiö onkin tärkein kaasujen vapautumiseen vaikuttava tekijä, myös muut ympäristötekijät voivat lisätä sen todennäköisyyttä. Esimerkiksi UV-säteilyn aiheuttama polymeerien heikentyminen ja altistuminen atomiselle hapelle helpottavat materiaalien sisältämien kaasujen poistumista.

2. Altistuminen säteilylle ja atomiselle hapelle

Jatkuva altistuminen auringon UV-säteilylle voi vahingoittaa liittimissä käytettyjä muoveja. Ionisoiva säteily voi johtaa varauksen kertymiseen liittimissä, mikä voi aiheuttaa sähköstaattisia purkauksia. LEO-ympäristön runsas atominen happi, joka muodostuu, kun UV-säteily reagoi hapen kanssa, on erittäin reaktiivista ja voi heikentää erityisesti polymeerien ja joidenkin metallien kaltaisia liitinmateriaaleja. Esimerkiksi yleinen liittimissä käytetty muovinen eristysmateriaali polytetrafluorietyleeni (PTFE) reagoi altistuessaan atomiselle hapelle ja UV-säteilylle, mikä aiheuttaa kulumista. Atominen happi reagoi erityisen hyvin hopean kanssa, mikä aiheuttaa hapettumista ja vaikuttaa sähkönjohtavuuteen ja kosketinresistanssiin.

3. Äärimmäiset lämpötilavaihtelut

Matalan kiertoradan satelliitit altistuvat lämpötilavaihteluille +125 °C (auringonvalossa) ... –65 °C (maan varjossa), ja jotkin ulkoiset komponentit saattavat altistua lämpötilavaihteluille –270 °C ... +200 °C. Tämä johtaa lämpöteknisiin sykleihin, jotka kuormittavat ja pahentavat liittimien pieniä epätäydellisyyksiä. Erot liitinmateriaalien ja niihin liittyvien komponenttien välisissä lämpölaajentumiskertoimissa voivat johtaa epätasaisiin lämpöteknisiin sykleihin, mikä voi johtaa yhteensopimattomiin yhdistelmiin ja mahdolliseen vikaantumiseen.

4. Tärinä ja iskut

Voimakas tärinä laukaisun aikana voi vaurioittaa liitintä. Sivuttaissuuntaiset (sivuakselit) ja edestakaiset (työntövoima-akseli) liikkeet voivat johtaa liittimien kosketusalueiden kohdistuksen siirtymiin tai rikkoutumiseen. Laukaisun yhteydessä syntyvät iskut hyötykuorman irrotessa kantoraketista voivat löysätä liittimiä ja luoda kohtia, joissa materiaali väsyy.

Strategioita LEO-ympäristövaikutusten vähentämiseen

Hermeettisiä tiivistystä suositellaan monien näiden riskien vähentämiseen. Hermeettinen tiivistys suojaa sisäisiä komponentteja avaruuden tyhjiöltä ja estää sisäisiä kaasuja karkaamasta. Se myös estää ilmaa, kaasuja ja kosteutta pääsemästä kokoonpanon sisään.

Avaruussovelluksien suunnittelussa voidaan käyttää useita standardeja niiden luotettavuuden parantamiseksi:

• ASTM E595 -standardin testimenetelmä tyhjiössä tapahtuvalle kaasujen vapautumiselle materiaalista mittaa kokonaismassahäviötä (TML) ja kerättyjä haihtuvia kondensoituvia materiaaleja (CVCM) lämpötiloissa +125 °C ja +25 °C. Tyypillisiä hyväksymiskriteerejä ovat: TML ≤ 1,00 %, CVCM ≤ 0,10 %.
• NASA EEE-INST-002 -standardin ohjeet sähkö-, elektroniikka- ja sähkömekaanisten (EEE) osien valintaan, seulontaan, kvalifiointiin ja tehonalennukseen määrittävät EEE-osien luotettavuustasot tehtävän tarpeiden perusteella.
• NASA SSP 30426 määrittelee vaatimukset kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ulkoiselle kontaminaation hallinnalle.
• NASA SP-R-0022A määrittelee tyhjiönkestävyysvaatimukset polymeerimateriaaleille.

Liittimet on valittava näiden standardien mukaisesti. Näin varmistetaan, että ne täyttävät avaruustehtävien tiukat vaatimukset.

Nasan 1970-luvulla kehittämät teknologiavalmiustasot (TRL) tarjoavat standardoidun menetelmän, jolla arvioidaan teknologioiden kypsyysaste asteikolla 1 (havaitut ja raportoidut perusperiaatteet) – 9 (avaruuslennolla toimivaksi havaittu). TRL-tasot ovat tärkeässä roolissa avaruuskomponenttien valinnassa useista syistä:

• Riskien pienentäminen: korkeamman TRL-tason komponenttien on todistettu toimivan kyseisissä ympäristöissä tai todellisilla avaruuslennoilla.
• Kustannusten hallinta: korkeamman TRL-tason komponenttien käyttö voi vähentää kehitys- ja testausvaatimuksia.
• Edistymisen seuranta: TRL mahdollistaa teknologian kehittymisen seurannan konseptista lentovalmiuteen, mikä auttaa suunnittelussa ja päätöksenteossa avaruusalusten kehitystyön aikana.
• Yhteinen kieli: TRL-tasot helpottavat keskustelua eri avaruusteknologioiden kypsyystasosta.
• Integroinnin helppous: korkeamman TRL-tason komponentit on yleensä helpompi integroida olemassa oleviin järjestelmiin, mikä vaikuttaa valintoihin.

Liitinratkaisuja matalalle kiertoradalle

Vastaukseksi matalan kiertoradan sovellusten suunnitteluvaatimuksiin voidaan käyttää Cinch Connectivity Solutions -yrityksen tarjoamaa Cinch Space Mission Solutions -liitinvalikoimaa. Ne on suunniteltu vastaamaan CubeSats- ja NanoSats-tyypin LEO-satelliittien haastaviin koko- ja painorajoituksiin.

Pinottavat liitinhyppyjohdot

Cinchin pinottavat CIN::APSE-liitinhyppyjohdot eivät vaadi juottamista ja ne tarjoavat räätälöitäviä korkean tiheyden liitinratkaisuita piirilevyjen välisiin, fleksin ja piirilevyn välisiin sekä komponenttien ja piirilevyjen välisiin liitäntöihin LEO-satelliiteissa. Tärkeitä ominaisuuksia ovat mm.:

• samantasoiset ja suorakulmaiset piirilevyjen väliset liitännät, jotka tarjoavat joustavuutta satelliittien suunnitteluun ja layoutiin,
• RF, virransyöttö, signaali ja korkea tiedonsiirtonopeus yhdessä 1 millimetrin kotelossa,
• NASA-hyväksyntä TRL 9 -tasolla, mikä tarkoittaa avaruuslennoilla osoitetun luotettavuuden, ja
• todistettu suorituskyky olosuhteissa, joissa esiintyy äärimmäisissä mekaanisia iskuja, tärinää ja lämpötilavaihteluita.

Tyypillinen esimerkki on 4631533093 (kuva 2). Tämä joustava piirilevy puristuu kasaan kun se kiinnitetään jäykälle piirilevylle asennettuun pinottavaan liittimeen.

Kuva 2: Kuvassa esitetään joustava ja pinottava 4631533093-liitinhyppyjohto jäykkien piirilevyjen yhdistämiseen. (Kuvan lähde: Cinch Connectivity Solutions.)

4631533093-hyppyjohdossa on 25 johdinta, se on 3 tuumaa (76,2 mm) pitkä, sen nastajako on 0,025 tuumaa (0,635 mm) ja siinä on 0,131 tuuman (3,33 mm) paljaat päät.

Avaruuskäyttöön hyväksytyt micro-D-liittimet

Cinch tarjoaa avaruuskäyttöön hyväksytyt Dura-Con-micro-D-liittimet miniatyrisoituihin lentoelektroniikka- ja tietojenkäsittelylaitteisiin sekä pienikokoisten satelliittien suunnittelussa tarvittaviin lyhyisiin signaalipolkuihin. Niiden huomattavia ominaisuuksia ovat twist-pin-koskettimet ja koneistetut naarasliittimet, jotka takaavat kestävän seitsemän pisteen kosketuksen, MIL-DTL-M83513-vaatimusten täyttäminen (koskee erityisesti micro-D-liittimiä), nikkelipinnoitus ja eteenitetraflurieteenilla (ETFE) eristetyt johdot. 25-nastainen DCCM25SCBRPN-X2S-micro-D-naarasliitin on hyvä esimerkki (kuva 3).

Kuva 3: DCCM25SCBRPN-X2S on 25-nastainen avaruuskäyttöön hyväksytty micro-D-naarasliitin. (Kuvan lähde: Cinch Connectivity Solutions.)

Tässä naarasliittimessä on kaksi riviä, joiden nastajako on 0,050 tuumaa (1,27 mm) ja rivien väli 0,043 tuumaa (1,09 mm). Siinä on kullattu kosketuspinta, se pystyy käsittelemään jopa 3 ampeeria ja täyttää matalan kiertoradan kaasunvapautusvaatimukset, jotka ovat ≤ 1,0 % TML ja ≤ 0,1 % CVCM.

Vaimentimet

Cinchin QPS (Qualified Part for Space) -vaimentimet on suunniteltu erityisesti avaruussovelluksiin. Ne täyttävät ASTM E595- ja MIL-DTL-3993-kaasunvapautumisstandardien vaatimukset, ja niiden vakioarvot ovat 1, 2, 3, 6, 10 ja 20 dB. Saatavilla on myös vaimentimia asiakaskohtaisilla 0–20 dB arvoilla. Tyypillinen esimerkki on SQA-0182-01-SMA-02 (kuva 4). Tämän 1 dB:n vaimentimen taajuuskaista on DC – 18 GHz, keskimääräinen tehokapasiteetti 2 W (huippuarvo 500 W) ja käyttölämpötila-alue –55 °C ... +125 °C.

Kuva 4: SQA-0182-01-SMA-02 on 1 dB:n vaimennin, joka on suunniteltu erityisesti avaruustehtäviin. (Kuvan lähde: Cinch Connectivity Solutions.)

Yhteenveto

Matalan kiertoradan avaruustehtävien suunnittelijat tarvitsevat liittimiä, jotka suoriutuvat luotettavasti esimerkiksi kaasun vapautumisen, lämpötilan, UV-säteilyn ja ionisoivan säteilyn sekä tärinän ja iskujen aiheuttamien haasteiden edessä. Luotettaviksi todetut toimittajat, kuten Cinch Connectivity Solutions, tarjoavat suunnittelijoille joukon tiukimpien standardien mukaisesti avaruustehtäviä varten suunniteltuja ratkaisuja, mikä takaa suunnitelmien onnistumisen.